基于主成分分析法的礦井通風(fēng)系統(tǒng)評(píng)價(jià)

司浩浩

（山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司伯方煤礦分公司，山西 高平 048400）

針對(duì)礦井安全狀況進(jìn)行全面有效的評(píng)價(jià)有助于礦井確定合理的風(fēng)險(xiǎn)防范措施，有效降低礦井生產(chǎn)過程中存在的安全隱患。因此，對(duì)礦井安全運(yùn)行情況分析及評(píng)價(jià)對(duì)煤礦的安全生產(chǎn)具有重要作用[1-2]。由于礦井通風(fēng)系統(tǒng)復(fù)雜且較為模糊，其簡(jiǎn)定性評(píng)價(jià)的主觀影響因素多，且評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)指標(biāo)不能單一量化，因此，目前通風(fēng)系統(tǒng)評(píng)價(jià)中常用的模糊綜合評(píng)價(jià)、灰色綜合評(píng)價(jià)、安全檢查表法等等的評(píng)價(jià)結(jié)果難以準(zhǔn)確量化，適用性差[3-4]?；谏鲜龇治?，運(yùn)用主成分分析法對(duì)礦井通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)價(jià)，將評(píng)價(jià)指標(biāo)量化的同時(shí)，將通風(fēng)系統(tǒng)中相關(guān)聯(lián)的變量轉(zhuǎn)化為獨(dú)立變量，實(shí)現(xiàn)通風(fēng)系統(tǒng)評(píng)價(jià)能快速有效的評(píng)價(jià)。

1 主成分分析法功能分析

主成分分析法是統(tǒng)計(jì)方式的一種，著重強(qiáng)調(diào)將多個(gè)變量通過線性組合轉(zhuǎn)化為少數(shù)綜合變量，即主成分，通過主成分反映轉(zhuǎn)化前變量的大量信息。分析過程中，主成分方差最大的主成分為第一主成分，通常情況下根據(jù)第一主成分進(jìn)行排序。若排序期間第一主成分的方差較小，則表明其分析的原始數(shù)據(jù)信息量較小，此時(shí)，需要依據(jù)第一主成分的具體得分情況對(duì)樣品進(jìn)行排序及評(píng)價(jià)。

由于礦井通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行情況復(fù)雜，且影響因素眾多，模糊性強(qiáng)，因此，定期對(duì)礦井通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行安全評(píng)價(jià)，對(duì)其運(yùn)行期間存在的安全問題進(jìn)行深入分析，可以有效保證系統(tǒng)安全運(yùn)行。由于定性評(píng)價(jià)存在數(shù)據(jù)誤差較大，涉及主觀因素較多的問題，所以，得出的評(píng)價(jià)結(jié)果準(zhǔn)確性難以保證。而主成分分析法可使多元數(shù)據(jù)得到最佳簡(jiǎn)化，把丟失的數(shù)據(jù)信息減少到最少，因此，該方法常用于處理分析諸如通風(fēng)系統(tǒng)此類多元問題。且主成分分析法可將變量在量化指標(biāo)上轉(zhuǎn)變?yōu)楠?dú)立變量，從而合理消除指標(biāo)之間的相關(guān)性影響，以在最少工作量的情況下獲取對(duì)應(yīng)的主成分指標(biāo)，以便通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行全面評(píng)價(jià)。因此，用主成分分析法評(píng)價(jià)礦井通風(fēng)系統(tǒng)，可使得所獲取的數(shù)據(jù)信息準(zhǔn)確無(wú)誤，確保相關(guān)的處理技術(shù)科學(xué)有效。

2 通風(fēng)系統(tǒng)相關(guān)評(píng)價(jià)指標(biāo)的確定

在評(píng)價(jià)過程中，評(píng)價(jià)指標(biāo)的選定直接關(guān)系到評(píng)價(jià)的結(jié)果及其準(zhǔn)確度。在篩選評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)，所選用的指標(biāo)不僅要盡量符合通風(fēng)系統(tǒng)的主要特征，同時(shí)可以在一定效度檢驗(yàn)過程中剔除重復(fù)性信息，減小指標(biāo)之間的相關(guān)性。當(dāng)前，大部分用于通風(fēng)系統(tǒng)評(píng)價(jià)的指標(biāo)體系是在人-機(jī)-環(huán)思想的基礎(chǔ)上建立的，主要從經(jīng)濟(jì)性能、管理性能、技術(shù)可靠性三個(gè)方面建立評(píng)價(jià)的指標(biāo)體系。而本文根據(jù)對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)選取及量化的分析，并結(jié)合礦井實(shí)際情況，從以下3個(gè)方面（共10項(xiàng)指標(biāo)）對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行選取。

（1）通風(fēng)設(shè)計(jì)及能力方面。主要包括礦井通風(fēng)設(shè)施、通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、局部通風(fēng)3個(gè)指標(biāo)。

（2）技術(shù)方面。瓦斯、火災(zāi)、煤塵事故是礦井主要的安全事故，因此，需針對(duì)三種事故采取相關(guān)技術(shù)措施，確保礦井通風(fēng)系統(tǒng)的安全運(yùn)行。因此，該方面主要包括綜合防塵、瓦斯抽采、防火3個(gè)技術(shù)指標(biāo)。

（3）管理方面。管理指標(biāo)是評(píng)價(jià)煤礦安全的重要指標(biāo)之一，該方面主要包括管理制度、爆破管理、通風(fēng)安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控、瓦斯管理4個(gè)指標(biāo)。

3 基于主成分分析法的通風(fēng)系統(tǒng)評(píng)價(jià)

可把通風(fēng)系統(tǒng)評(píng)價(jià)過程看作為函數(shù)映射。假設(shè)n 維向量X、Y分別為評(píng)價(jià)指標(biāo)變量、評(píng)價(jià)結(jié)果。則其安全評(píng)價(jià)過程即為評(píng)價(jià)指標(biāo)變量X到評(píng)價(jià)結(jié)果Y的函數(shù)映射。主成分分析法是一種多變量統(tǒng)計(jì)方法，能夠?qū)⒍鄶?shù)具有相關(guān)性的變量集中到幾個(gè)總綜合變量，是將主成分轉(zhuǎn)變?yōu)樵甲兞康木€性組合，主要用于特征提取和數(shù)據(jù)壓縮方面。利用該方法對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)評(píng)價(jià)的主要計(jì)算過程如下：

（1）對(duì)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行收集。利用編好的安全打分表，對(duì)煤礦的安全情況進(jìn)行具體評(píng)價(jià)，大量收集樣本數(shù)據(jù)。

（2）原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理的目的是為了除去原始數(shù)據(jù)數(shù)量級(jí)上的差別和數(shù)量剛量的影響。

（3）相關(guān)系數(shù)矩陣的計(jì)算。利用SPSS軟件建立和計(jì)算進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理后的數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)矩陣。

（4）提取樣本特征。利用主成分分析方法對(duì)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取，并且計(jì)算出樣本特征值和特征向量ui=（ui1，ui2，ui3，……，uip）。

（5）主成分的提取。主成分與各個(gè)成分之間呈線性關(guān)系，即Fi=（uiX1+uiX2+uiX3+……+uiXp）。

（6）優(yōu)化函數(shù)。根據(jù)主成分的個(gè)數(shù)和各個(gè)主成分的累積貢獻(xiàn)率 的大小建立函數(shù)，即：F=a1F1+a2F2+a3F3+……+apFp）。

（7）對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行分析。對(duì)綜合主成分值F和主成分F1分別進(jìn)行排序，兩者的排序結(jié)果越一致，證明提取越合理，能更好地體現(xiàn)最重要的指標(biāo)。

4 具體算例分析

（1）通風(fēng)系統(tǒng)樣本數(shù)據(jù)的獲取

根據(jù)礦井通風(fēng)系統(tǒng)相關(guān)評(píng)價(jià)指標(biāo)及通風(fēng)安全打分表的規(guī)則，本節(jié)對(duì)伯方煤礦通風(fēng)系統(tǒng)具體情況進(jìn)行調(diào)查分析，并對(duì)該礦不同階段的通風(fēng)安全情況進(jìn)行評(píng)價(jià)，共獲得7個(gè)月的通風(fēng)系統(tǒng)評(píng)分?jǐn)?shù)據(jù)，原始數(shù)據(jù)如下表1所示。

表1 原始數(shù)據(jù)表

（2）主成分的提取

將經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化處理的原始數(shù)據(jù)逐次輸入SPSS軟件中，經(jīng)過對(duì)相關(guān)系數(shù)矩陣計(jì)算，得出實(shí)際特征值和累積貢獻(xiàn)率，根據(jù)累積貢獻(xiàn)率92.841%及特征值大于1的原則對(duì)主成分進(jìn)行提取。共提取出F1、F2、F3、F4四個(gè)主成分，評(píng)分指標(biāo)量經(jīng)主成分提取后明顯減少，評(píng)價(jià)打分復(fù)雜度有效降低。

（3）主成分關(guān)系分析

利用公式Fi=（uiX1+uiX2+uiX3+……+uiXp）對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)的主成分進(jìn)行描述，得出F1主成分所占的比重最大。F1主成分的值越大，表明該礦通風(fēng)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性越高。

（4） 構(gòu)造優(yōu)化函數(shù)

利用計(jì)算得出的綜合主成分值F和F1對(duì)全部檢查結(jié)果的排數(shù)基本一致，通過計(jì)算可知伯方煤礦通風(fēng)系統(tǒng)安全防范的重點(diǎn)在瓦斯治理和通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化兩個(gè)方面。

5 結(jié)論

（1）利用主成分分析法對(duì)礦井通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)價(jià)，合理消除指標(biāo)之間的相關(guān)性影響，以在最少工作量的情況下獲取對(duì)應(yīng)的主成分指標(biāo)，以便通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行全面評(píng)價(jià)。

（2）通過具體例算分析可知：伯方煤礦通風(fēng)系統(tǒng)的綜合主成分值F和F1對(duì)全部檢查結(jié)果的排數(shù)基本一致，該礦通風(fēng)系統(tǒng)安全防范的重點(diǎn)為瓦斯治理和通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化，客觀反映了礦井通風(fēng)系統(tǒng)的現(xiàn)實(shí)狀況。